CRH5A 型动车组充电机中压接地故障研究 

一、CRH5A 型动车组充电机中压接地故障机理分析

1.1 永久性接地故障机理

在极低温度环境（-40℃及以下）下，充电机高压输入电缆所用的交联聚乙烯绝缘材料容易因为温度骤降而变得脆弱，丧失原有的韧性。列车运行时，电缆和线槽或者柜体之间的相对移动可能会造成绝缘层遭受机械损伤；当绝缘层损耗量超出最初厚度的 30% 时，电缆铜芯就会直接碰触到接地金属部件，引发无法挽回的电气短路情况。如果电缆接头压接工艺有瑕疵，那么在长时间服役过程中就有可能使得连接部位出现松动，从而造成局部过热现象，促使绝缘材料老化速度加快，并且也会大幅增加接地故障发生的概率。

充电机整流桥电路中，IGBT 模块大多采用氧化铝陶瓷作为绝缘衬底，来达成芯片同散热基板之间的电气隔离。当列车运行工况出现剧烈变动的时候，像启动或者制动这样的状况下，IGBT 模块的温度就会大幅起伏，这样就使得陶瓷衬底承受热应力，从而出现细微的裂纹；在高寒地区昼夜温差比较大的环境下，这些微小裂纹会逐渐扩散并最终贯通整个衬底结构，因此 IGBT 芯片通过散热基板同机柜外壳之间形成了导电通路，从而引发了永久性的短路故障。

1.2 间歇性接地故障机理

中压输入接触器的触点常使用银合金制作，在高湿度环境下，触点表面容易形成氧化膜。列车行驶时，接触器不断吸合和分断会加快氧化膜的脱落和再生进程；氧化膜厚度分布不均时，触点之间的接触电阻就会出现周期性波动。如果这种波动使接触电阻超出安全范围，就可能会造成触点和接地部件之间产生瞬时电弧，从而引发间歇性接地故障；接触器弹簧老化会使触点压力减小，进一步加重接触电阻的波动程度，极大地加大了系统的运行风险。

1.3 弧光接地故障机理

当中压系统产生高阻抗接地故障时，故障区域常会出现局部电场集中的情况；如果电场强度超越空气击穿阈值，就有可能引发气体电离并形成电弧。拿AC380V 额定电压来说，当电压过零点的时候，电弧可能会暂时熄灭；随着电压朝着正方向增长，电弧就会再次被激活，表现出一种周期性燃弧和熄弧交替的动态特征。在整个运行过程中，持续的电弧放电会释放出大量的热能，还会造成周围绝缘介质受损，从而使得故障电阻下降，电弧的能量逐渐加大。

二、CRH5A 型动车组充电机中压接地故障应对策略

2.1 优化故障诊断策略

充电机控制系统当中，采用多参数融合诊断算法对高压侧绝缘电阻、漏电流、电压谐波以及温度等关键信号展开即时检测，通过加权融合模型完成数据整合处理。绝缘电阻若低于 500kΩ 、漏电流超出 50mA ，就大概属于接地故障；再联系电压谐波畸变率大于 5% 、局部温升高于 60^∘C ，就可以辨别出永久性、间歇性以及弧光接地故障的具体类型。此算法凭借模糊逻辑机制来调节参数阈值，以此应对高寒或者强振环境造成的测量误差，从而极大地提升诊断准确度到 95% 以上。

在充电机高压回路的重要节点处安装高频电流传感器，通过检测故障电流方向及幅值变化来达到故障定位的目的。一旦出现接地故障现象，传感器所获得的数据就会立刻传送至诊断模块之中；该模块会凭借各个节点之间电流差异执行分析运算，进而准确找出故障源的实际位置，定位误差被限定在正负 0.5m之内。诊断模块融合了对不同种类故障元件实施维修时应采取的操作方法以及参数调节意见等信息，给运维人员提供了操作指引，故障处理所需时间被缩减到半小时之内。

充电机故障诊断数据通过列车以太网传送到地面运维平台之后，依靠大数据分析技术深入挖掘历史故障记录，创建故障发展态势预测模型。当模型预估故障出现概率超过 80% 的时候，就会自动给维护人员推送预警消息，提醒他们尽快替换可能会失效的部件；同时，平台会一直监视充电机的运作参数，如果察觉到异常指标，就会立刻发出远程调节命令，进而阻止故障继续蔓延。

2.2 强化防护设计措施

为提升充电机高压输入电缆的绝缘性能及耐磨特性，可以采用耐低温交联聚乙烯这种新绝缘材料，把绝缘层厚度由 2 毫米提高到 3 毫米；还可以在电缆外护套表面加装不锈钢波纹管，这样可以防范振动造成的电缆同金属部件之间的摩擦损伤。针对接头部分，采用超声波压接方式，施加的压接力处在 50到 60 千牛这个范围之内，保证接触电阻小于 5 毫欧姆，免除局部过热情况发生；同时在电缆固定支架之处增添橡胶缓冲垫，进一步减轻振动给电缆带来的机械应力影响。

为了改良充电机整流桥 IGBT 模块的散热情况，可以选用氮化铝陶瓷代替传统的氧化铝陶瓷当作绝缘衬板材料，从而明显提升热导率，加强抗热冲击的能力；在衬板和散热基板之间涂抹高导热系数的耐高温硅脂，进一步改善了界面处的热传递效果。模块外部增设温度传感装置，随时监测核心部件的温度；当温度达到 80^∘C 的时候，自动调整负载参数，防止设备因为过热而损坏。经过改进之后的冷却系统风量能够增大到 15m³/h ，整体散热效能得到了明显的改善。

2.3 完善运维优化方案

就充电机高压接地故障而言，制订专门的培训计划，包含故障机理的理解分析、诊断技术的运用、防护装置的操作规则以及应急处理程序等；借助创建虚拟故障场景，促使运维人员熟悉故障检测设备的使用方法并学会准确找到故障位置；同时展开实操练习，要求工作人员在规定时间内完成故障模块的替换以及系统的恢复工作，以此明显加快应急处理的速度，并提高解决问题的能力。

在充电机柜内部添加温湿度调节系统，当环境温度降到 - 20^∘C 以下时，就会自动开启电加热模块，让柜内温度保持在 5℃以上；如果相对湿度超过 80% ，就需要启动除湿装置，降低柜内的湿度。为了防止外面的灰尘进来损坏中压元件，在柜子的进风口处要安装高效过滤装置；另外，要定时检测柜体的密封情况，保证它的防护等级达到 IP54 标准，这样才能抵挡住雨水、雪水以及尘埃等外界因素的影响。

结语：

CRH5A 型动车组充电机当中压接地故障出现时，其形成原因与元件性能、外在环境及动车组运作状况等众多要素相互影响，致使它表现出很强的复杂化，并兼有多种类型特征。就具体的不同种类的故障情形来说，需要采取相对应的预控手段；借助改良故障检测算法、巩固硬件防护构造以及完备维护体系可有效降低此类问题发生的概率，并使得整个充电机系统更加稳固和可靠。

参考文献：

[1] 曹科宇, 刘帅, 高珊, 等. 动车组某型充电机功能分析与设计优化[J].铁道车辆 ,2024,62(S1):32-36.

[2] 白钰 , 史芸铭 , 裴春兴 , 等 . 动车组充电机直流支撑电容寿命评估方法研究 [J]. 铁道学报 ,2024,46(06):73-79.